KR20170134900A - 반만액식 증발기가 구비된 선박용 냉동장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 쉘이 냉매나 냉수 전열관 및 기액분리기로 구성되고 증기를 이용하여 선박이나 선박에 구비된 냉동창고에 냉기를 공급하는 선박용 냉동장치에 있어서,
저온저압의 냉매증기를 압축시키는 압축기; 상기 압축기에 연결되고 해수를 냉각수로 사용하여 상기 압축기에서 토출된 냉매증기를 응축시키는 응축기; 고온고압의 냉매액이나 냉매증기를 이용하여 액체-가스나 가스-가스를 교환시키는 열교환기; 상기 열교환기와 연결되어 상기 열교환기에서 배출되는 냉매액의 온도와 압력을 제어하여 낮추는 전자식 팽창밸브; 상기 전자식 팽창밸브를 거친 냉매액이 쉘 내부에 수용되고, 전열관의 내부에는 냉수가 소통되는 반만액식 증발기; 및 상기 압축기, 상기 응축기, 상기 열교환기, 상기 전자식 팽창밸브 및 상기 반만액식 증발기에 연결되어 상기 압축기, 상기 응축기, 상기 열교환기, 상기 전자식 팽창밸브 및 상기 반만액식 증발기의 작동을 제어하는 컨트롤러;를 포함하고, 상기 열교환기는, 상기 반만액식 증발기 내부의 일부분에 구비되어 상기 반만액식 증발기와 함께 일체형을 이루는 것을 특징으로 한다.

Description

반만액식 증발기가 구비된 선박용 냉동장치{SHIP REFRIGERRATION UNIT WITH A SEMI-FLOODED EVAPORATORS}
본 발명은 선박용 냉동장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 기액분리기 기능을 함께 수행할 수 있는 반만액식 증발기가 구비된 선박용 냉동장치에 관한 것이다.
일반적으로, 조업선에서 작업된 어획물을 운반선 어창으로 옮길 때 수작업에 의해 얼음을 투입해야 하는 작업인력의 필요성 및 작업시간 지연이 초래되는 단점이 있다.
이에 운반선 자체에 어창용 해수 냉각 시스템을 설치하여 어창에 보관된 해수를 직접 냉각시켜 어획물의 선도를 유지하며 육상빙 사용 시 발생하는 문제점을 일괄 해소할 수 있는 해수 냉각시스템이 요구되고 있다.
냉동기가 선박에 설치되는 경우 설치 위치는 기관실 내부가 되며, 기관실에는 주엔진과 발전기 등 기존 선박의 운항에 필요한 기기들이 설치되어 있어 공간적으로 제약을 많이 받는 특성이 있다.
따라서, 선박용 냉동기의 콤팩트화는 대단히 기술적으로 중요하므로 이러한 관점에서 크기를 줄이고 고성능을 낼 수 있는 증발기가 중요한 기술이 된다.
국내 선망어선용 운반선의 어창 냉각용 냉동설비는 아직 국산화가 되어 있지 않으며, 어업 선진국인 일본의 경우 콤팩트화를 위해 반만액식 증발기를 사용하는 경우가 있다.
이러한 반만액식 증발기 내부 전열관은 증발기 쉘의 2/3정도 높이까지 배치하고 냉매 액면을 전열관 보다 약간 높게 유지하여, 상부에는 냉매 액적이 압축기 흡입관으로 유입되지 않게 기액분리기를 위해 빈 공간으로 유지한다.
그러나, 쉘 상부의 빈 공간에도 불구하고 냉매는 액적의 상태로 압축기로 흡입되어 오일희석 및 베어링 마모 등의 문제를 발생시킨다.
이러한 문제를 해결하기 위해 반만액식 증발기가 이용되는 냉동시스템은 증발기 상부에 별도의 액-가스 열교환기를 설치하게 된다. 하지만 액-가스 열교환기는 시스템의 안정성에는 도움이 되지만, 설치공간을 확보해야 하는 단점이 선박용 기관실의 사정상 큰 제약 조건이 된다.
따라서, 선박이나 어선용 냉동시스템은 설치공간에 대한 제약을 상당히 많이 받기 때문에 액-가스 열교환기를 반만액식 증발기 쉘 내부로 넣어 동일한 기능을 확보하면서 콤팩트화할 수 있는 방식이 요구된다.
현재 연근해 선망 어선들의 경우, 어획물의 운반 및 저장에 있어 해수에 육상얼음을 섞어서 온도를 낮추는 방법으로 생선의 신선도를 관리하고 있다.
하지만, 이러한 방식은 육상의 제빙공장에서 얼음을 싣고 나갈 때 얼음의 비용 및 얼음 운반 하중에 따른 연료비 증가 문제, 그리고 조업선에서 작업된 어획물을 운반선 어창으로 옮길 때 수작업에 의해 얼음과 소금을 투입해야 하는 작업인력의 필요성 및 작업 시간 지연이 초래되는 단점이 있다.
이에, 운반선 자체에 어창용 해수 냉각 시스템을 설치하여 어창에 보관된 해수를 직접 냉각시켜 어획물의 신선도를 유지하며 육상빙 사용 시 발생하는 문제점을 일괄 해소할 수 있는 해수냉각시스템은 수산물 선진화 유통법의 일환으로 국산화 개발이 시작되고 있는 실정이다.
대한민국 공개특허번호 제10-2012-0025664호(발명의 명칭: 선박용 흡수식 냉동장치 및 흡수식 냉동방법)
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로, 기존의 반만액식 증발기가 이용되는 냉동시스템에서 반만액식 증발기 내부의 냉매액적이 압축기 흡입관으로 유입되는 것을 방지하기 위하여 기액분리기가 반만액식 증발기 상부에 별도로 설치된 반만액식 증발기를 구비한 선박용 냉동장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 해수용 냉동시스템에 기액분리기와 함께 이용되는 액-가스 열교환기를 가진 반만액식 증발기를 선박에 설치할 경우 공간 제약에 대한 문제 해결을 위하여 기액분리기 내부에 액-가스 열교환기의 기능을 할 수 있는 반만액식 증발기 제작 방법에 대한 내용으로 선박용 냉동기의 문제점인 콤팩트화하는 반만액식 증발기를 구비한 선박용 냉동장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반만액식 증발기가 구비된 선박용 냉동장치는, 쉘이 냉매나 냉수 전열관 및 기액분리기로 구성되고 증기를 이용하여 선박이나 선박에 구비된 냉동창고에 냉기를 공급하는 선박용 냉동장치에 있어서, 저온저압의 냉매증기를 압축시키는 압축기; 상기 압축기에 연결되고 해수를 냉각수로 사용하여 상기 압축기에서 토출된 냉매증기를 응축시키는 응축기; 고온고압의 냉매액이나 냉매증기를 이용하여 액체-가스나 가스-가스를 교환시키는 열교환기; 상기 열교환기와 연결되어 상기 열교환기에서 배출되는 냉매액의 온도와 압력을 제어하여 낮추는 전자식 팽창밸브; 상기 전자식 팽창밸브를 거친 냉매액이 쉘 내부에 수용되고, 전열관의 내부에는 냉수가 소통되는 반만액식 증발기; 및 상기 압축기, 상기 응축기, 상기 열교환기, 상기 전자식 팽창밸브 및 상기 반만액식 증발기에 연결되어 상기 압축기, 상기 응축기, 상기 열교환기, 상기 전자식 팽창밸브 및 상기 반만액식 증발기의 작동을 제어하는 컨트롤러;를 포함하고, 상기 열교환기는, 상기 반만액식 증발기 내부의 일부분에 구비되어 상기 반만액식 증발기와 함께 일체형을 이룰수 있다.
또한, 상기 반만액식 증발기내의 상단부에 설치되어 습압축을 방지하기 위해 공기 중에 남아 있는 여분의 물방울을 제거하는 엘리미네이터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 압축기와 상기 응축기 사이에 연결되며 일부분에 홀을 형성하여 외기로 통하도록 하고 가스와 기름을 분리하여 가스를 외부로 배출시키는 오일분리기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 반만액식 증발기 내부의 하단부에 설치되며 상기 전자식 팽창밸브를 거쳐 온도와 압력이 낮아진 냉매를 상기 반만액식 증발기내 전열관에 균등하게 분포시키는 분배기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 컨트롤러는,
상기 반만액식 증발기에서 증발한 냉매가 상기 열교환기를 거쳐 설정된 온도 이상으로 과열된 경우, 상기 가열된 냉매의 상기 압축기로 출입을 제어할 수 있다.
본 발명의 반만액식 증발기를 가진 선박용 냉동장치는, 증발기 높이의 약 60%정도를 차지하는 액-가스 열교환기를 증발기 내로 가져감으로써 증발기 높이가 약 4%정도만 높아져도 열교환기 체적상의 문제가 해결이 됨으로 반만액식 증발기의 콤팩트화를 가져올 수 있다.
따라서, 설치공간이 가장 중요한 요소 중 하나인 선박용 특히 선망운반선용 냉동기의 경우 콤팩트화와 고효율화가 가장 중요한 요구사항인데, 고효율화는 반만액식으로 해결되며, 장치의 콤팩트화는 증발기 위에 별도로 설치되던 액-가스 열교환기를 증발기 내부인 기액분리기 공간에 설치함으로써 기액분리는 물론 압축기로 가는 냉매가스의 과열도를 높여 줄 수 있어 선박용 냉동기에서 요구되는 2가지 중요한 기능을 발휘할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 반만액식 증발기와 열교환기의 구조를 나타내어 주는 평면도.
도 2는 종래의 반만액식 증발기와 열교환기의 구조를 나타내어 주는 측면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 반만액식 증발기가 구비된 선박용 냉동장치의 시스템을 나타낸 평면도.
도 4는 상기 열교환기 일체형 반만액식 증발기의 측면도.
도 5는 상기 컨트롤러의 제어시스템을 나타낸 블록도.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다.　이들 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다.　본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다.　예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다.　또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.　따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.　도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 반만액식 증발기와 열교환기의 구조를 나타내어 주는 평면도이고, 도 2는 종래의 반만액식 증발기와 열교환기의 구조를 나타내어 주는 측면도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 반만액식 증발기가 구비된 선박용 냉동장치의 시스템을 나타낸 평면도이고, 도 4는 상기 열교환기 일체형 반만액식 증발기의 측면도이며, 도 5는 상기 컨트롤러의 제어시스템을 나타낸 블록도이다이다.
도 3내지 도 5에 도시된 바와 같이, 쉘이 냉매나 냉수 전열관 및 기액분리기로 구성되고 증기를 이용하여 선박이나 선박에 구비된 냉동창고에 냉기를 공급하는 선박용 냉동장치에 있어서, 본 발명은 압축기(10), 응축기(12), 열교환기(8), 전자식 팽창밸브(16), 반만액식 증발기(25) 및 컨트롤러(17)를 포함할 수 있다.
상기 압축기(10)는 저온저압의 냉매증기(9)를 압축시킬 수 있다.
상기 응축기(12)는 압축기(10)에 연결되고 해수를 냉각수로 사용하여 압축기(10)에서 토출된 냉매증기(9)를 응축시킬 수 있다.
상기 열교환기(8)는 고온고압의 냉매액(30)이나 냉매증기(9)를 이용하여 액체-가스나 가스-가스를 교환시킬 수 있다.
열교환기(8)는 반만액식 증발기(25) 내부의 일부분에 구비되어 반만액식 증발기(25)와 함께 일체형을 이룰 수 있다.
상기 전자식 팽창밸브(16)는 열교환기(8)와 연결되어 열교환기(8)에서 배출되는 냉매액(7)의 온도와 압력을 제어하여 낮출 수 있다.
상기 반만액식 증발기(25)는 전자식 팽창밸브(16)를 거친 냉매액(1)이 쉘 내부에 수용되고, 전열관(23)의 내부에는 냉수가 소통될 수 있다.
반만액식 증발기(semi-flooded type evaporator)란, 증발기 내에 액이 50%, 가스가 50% 존재하며 냉매는 증발기 하부에서 상부로 공급되는 구조의 증발기를 말한다.
상기 컨트롤러(17)는 압축기(10), 응축기(12), 열교환기(8), 전자식 팽창밸브(16) 및 반만액식 증발기(25)에 연결되어 압축기(10), 응축기(12), 열교환기(8), 전자식 팽창밸브(16) 및 반만액식 증발기(25)의 작동을 제어할 수 있다.
컨트롤러(17)는 반만액식 증발기(25)에서 증발한 냉매가 열교환기(8)를 거쳐 설정된 온도 이상으로 과열된 경우, 가열된 냉매의 압축기(10)로 출입을 제어할 수 있다.
본 발명의 반만액식 증발기(25)는 엘리미네이터(6), 오일분리기(11) 및 분배기(2)를 더 포함할 수 있다.
상기 엘리미네이터(6)는 반만액식 증발기내(25)의 상단부에 설치되어 습압축을 방지하기 위해 공기 중에 남아 있는 여분의 물방울을 제거할 수 있다.
상기 오일분리기(11)는 압축기(10)와 응축기(12) 사이에 연결되며 일부분에 홀을 형성하여 외기로 통하도록 하고 가스와 기름을 분리하여 가스를 외부로 배출시킬 수 있다.
상기 분배기(2)는 반만액식 증발기(25) 내부의 하단부에 설치되며 전자식 팽창밸브(16)를 거쳐 온도와 압력이 낮아진 냉매를 반만액식 증발기(25)내 전열관(22, 23)에 균등하게 분포시킬 수 있다.
본 발명에 따른 반만액식 증발기가 구비된 선박용 냉동장치는, 선박용 냉동기에 설치되어 냉수를 만들어 내기 위한 것으로, 컨트롤러(17)의 제어에 의해 응축기(12)에서 나온 고온고압의 냉매액(1)이 액-가스 열교환기 일체형 반만액식 증발기(25)의 상부에 위치한 액-가스 열교환기(8)로 들어가 압축기(10)로 들어가는 냉매가스의 과열도를 높여 압축기(10)를 보호하여 시스템을 안정화시킬 수 있다.
이때, 액-가스 열교환기(8)를 나온 냉매액은 전자식 팽창밸브(16)에서 온도와 압력이 낮아져 증발기(25)의 하부 쉘측으로 들어가게 된다.
본 발명의 증발기(25)로 선박의 어창 등에서 회수되는 냉수가 유입되어 증발기(25) 내부의 냉매와 열교환하여 온도가 더 낮은 냉수로 다시 어창 등으로 공급된다.
열교환기(8)는 증발기속 하단에서 2/3정도까지 배치되어 있으며, 이들 관들중 관외부는 쉘 속에 2/3정도 차 있는 냉매액과 열교환하며, 관 내부는 냉수가 흐르면서 열교환하게 되어 냉수온도는 더 낮게 된다.
본 발명에서 냉매 전열관(22)들은 증발기(25) 원통 내부 하단 2/3 전체에 고르게 분포되게 제작되며, 증발기(25) 내부의 상단부 출구에는 미쳐 다 증발하지 못한 액적을 제거할 수 있는 엘리미네이터(6)가 설치된다.
증발기(25) 내부의 하단부에는 전자식 팽창밸브(16)를 거쳐 온도와 압력이 낮아진 냉매를 증발기(25)내 전열관(22, 23)에 균등하게 분포시키키 위하여 분배기(2)가 설치된다.
증발기(25) 내부 냉매의 액면을 유지할 수 있도록 고위 및 저위 레벨 트랜스미터(18, 19)가 설치되며, 전자식 팽창밸브(16)에 의한 과열도 제어 등의 방법을 이용한다.
증발기(25) 내부 상단의 기액분리기(5) 공간에 위치한 액-가스 열교환기(8)의 배관 내부로는 응축기(12)에서 전자식 팽창밸브(16)로 가는 냉매액이 흐르며, 배관 외부에는 증발기(25)에서 증발한 냉매증기(9)가 열교환하게 된다.
이렇게 열교환하여 온도가 올라간 냉매증기(9)는 약간 과열된 상태로 압축기(10)로 들어가게 되어 습압축(이 경우 압축기 파손 우려가 있음)을 막아줌으로써 압축기(10)를 보호하게 된다.
이로써 증발기(25)에서 압축기(10)로 흡입되는 증기에 액적형성이 최소화 되어 큰 부피를 차지하는 액-가스 열교환기(8)의 설치가 별도로 필요치 않게 되고 반만액식 증발기(25)의 선박 이용이 더욱 용이하게 된다.
압축기(10)로 흡입된 냉매증기는 압축되어 온도와 압력이 올라가고, 오일분리기(11)를 거쳐 응축기(12)로 들어가게 된다. 응축기(12)의 쉘측에 들어온 냉매증기는 응축기(12)의 전열관(22, 23) 내부로 흐르는 냉각수(21)인 해수의 열교환에 의해 응축되어 냉매액으로 된다.
응축기(12)에서 액화된 냉매액은 증발기(25)의 액-가스 열교환기(8)로 들어가서 압축기(10)로 들어가는 냉매의 과열도를 높여 준다.
본 발명의 액-가스 열교환기(8) 일체형 반만액식 증발기(25)는 액-가스 열교환기(8)를 증발기 상부인 기액분리기(5) 공간에 넣어 기액분리 기능과 동시에 액-가스 열교환기 역할도 할 수 있다.
상기와 같이 할 경우 액-가스 열교환기 때문에 증발기의 늘어나는 체적을 만족할 수 있도록 하면 증발기 높이는 약 4% 정도 쉘이 커지게 된다.
즉, 종래의 증발기와 액-가스 열교환기가 별도로 있을 때 액-가스 열교환기 때문에 필요한 높이 공간이 증발기 높이의 약 60% 정도이던 것이 내부로 넣어 일체화 함으로써 기존 증발기의 약 4% 정도만 커지면 되므로, 증발기의 콤팩트화가 가능하다.
또한, 액-가스 열교환기를 기액분리 공간에 설치하여 약간의 증발기 직경 변화로 액-가스 열교환기와 동일한 열교환 면적을 확보할 수 있어 선박에 적합하게 콤팩트화할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 바람직한 실시 예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 아니하고 청구항에 기재된 범위 내에서 변형이나 변경 실시가 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부된 특허청구범위에 속한다 할 것이다.
1 : 냉매액 (팽창밸브를 지난)
2 : 분배기 (distributor)
3 : 냉매액 (만액식 증발기 내부에 2/3 정도 차지함)
4 : 냉수(chilled water)관 (증발기 전열관 내부로 냉수가 흐름)
5 : 기액분리기 (냉수전열관과 열교환하여 증발한 증기와 액적이 분리되는 공간)
6 : 엘리미네이터 (eliminator)
7 : 냉매액 (응축기 출구로부터)
8 : 열교환기
9 : 냉매증기 (압축기로)
10 : 압축기
11 : 오일분리기
12 : 응축기
13 : 냉각수 입구
14 : 냉각수 출구
15 : 냉매액 (응축기 출구로부터)
16 : 전자식 팽창밸브
17 : 컨트롤러
18 : 고위 레벨 트랜스미터(high level transmitter)
19 : 저위 레벨 트랜스미터(low level transmitter)
20 : 냉수(chilled water) 입구
21 : 냉수(chilled water) 출구
22 : 냉매 전열관
23 : 냉수 전열관
24 : 종래의 반만액식 증발기
25 : 반만액식 증발기

Claims (5)

  1. 쉘이 냉매나 냉수 전열관 및 기액분리기로 구성되고 증기를 이용하여 선박이나 선박에 구비된 냉동창고에 냉기를 공급하는 선박용 냉동장치에 있어서,
    저온저압의 냉매증기를 압축시키는 압축기;
    상기 압축기에 연결되고 해수를 냉각수로 사용하여 상기 압축기에서 토출된 냉매증기를 응축시키는 응축기;
    고온고압의 냉매액이나 냉매증기를 이용하여 액체-가스나 가스-가스를 교환시키는 열교환기;
    상기 열교환기와 연결되어 상기 열교환기에서 배출되는 냉매액의 온도와 압력을 제어하여 낮추는 전자식 팽창밸브;
    상기 전자식 팽창밸브를 거친 냉매액이 쉘 내부에 수용되고, 전열관의 내부에는 냉수가 소통되는 반만액식 증발기; 및
    상기 압축기, 상기 응축기, 상기 열교환기, 상기 전자식 팽창밸브 및 상기 반만액식 증발기에 연결되어 상기 압축기, 상기 응축기, 상기 열교환기, 상기 전자식 팽창밸브 및 상기 반만액식 증발기의 작동을 제어하는 컨트롤러;를 포함하고,
    상기 열교환기는,
    상기 반만액식 증발기 내부의 일부분에 구비되어 상기 반만액식 증발기와 함께 일체형을 이루는 것을 특징으로 하는 반만액식 증발기가 구비된 선박용 냉동장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반만액식 증발기내의 상단부에 설치되어 습압축을 방지하기 위해 공기 중에 남아 있는 여분의 물방울을 제거하는 엘리미네이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반만액식 증발기가 구비된 선박용 냉동장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축기와 상기 응축기 사이에 연결되며 일부분에 홀을 형성하여 외기로 통하도록 하고 가스와 기름을 분리하여 가스를 외부로 배출시키는 오일분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반만액식 증발기가 구비된 선박용 냉동장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 반만액식 증발기 내부의 하단부에 설치되며 상기 전자식 팽창밸브를 거쳐 온도와 압력이 낮아진 냉매를 상기 반만액식 증발기내 전열관에 균등하게 분포시키는 분배기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반만액식 증발기가 구비된 선박용 냉동장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 반만액식 증발기에서 증발한 냉매가 상기 열교환기를 거쳐 설정된 온도 이상으로 과열된 경우, 상기 가열된 냉매의 상기 압축기로 출입을 제어하는 것을 특징으로 하는 반만액식 증발기가 구비된 선박용 냉동장치.
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